DE102004033475A1 - Corrosion protection for micromechanical sensor elements, e.g. for a pressure sensor, comprises a passivating agent that at least partially covers electrical components and a material layer applied to the top of the passivator - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Drucksensor bzw. von einem Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Drucksensors bei dem ein Sensorelement in einem Gehäuse mit einem Passivierungsmittel bedeckt wird.The The invention is based on a micromechanical pressure sensor or of a method for manufacturing a micromechanical pressure sensor wherein a sensor element in a housing with a Passivierungsmittel is covered.
Zum Schutz eines Sensors vor schädigenden Umwelteinflüssen kann das Sensorelement mit einer speziellen Passivierungsschicht bedeckt werden. Dies geschieht beispielsweise derart, dass das Sensorelement bzw. die (elektrischen und/oder mechanischen) Komponenten, die zur Erfassung und/oder Auswertung eines Sensorsignals erforderlich sind, in einem Gehäuse montiert werden und anschließend mit einem Passivierungsmittel bedeckt werden. Üblicherweise wird diese Passivierung durch eine Verfüllung des Gehäuses erreicht. Die Verfüllung dient dabei der Passivierung des Sensorelements bzw. dem Schutz der Komponenten gegenüber Medien wie Wasser, Luft, Benzin, Salz, etc. Somit kann eine Korrosion empfindlicher Elemente des Sensors verhindert werden. Problematisch bei der Passivierung ist jedoch die Wechselwirkung des Passivierungsmittels mit dem schädigenden Medium.To the Protecting a sensor from damaging environmental influences can the sensor element with a special passivation layer to be covered. This happens, for example, such that the sensor element or the (electrical and / or mechanical) components used for Detection and / or evaluation of a sensor signal are required, in a housing be mounted and then covered with a passivating agent. Usually, this passivation is by a backfilling of the housing reached. The backfilling serves the passivation of the sensor element or the protection the components opposite Media such as water, air, gasoline, salt, etc. Thus, corrosion can occur sensitive elements of the sensor can be prevented. Problematic in passivation, however, is the interaction of the passivating agent with the injurious Medium.
Mikromechanische Drucksensoren, bei denen systembedingt der Druck von der Sensorchipvorderseite zugeführt wird, werden normalerweise durch ein Gel wie beispielsweise ein Fluorsilikongel vor Umwelteinflüssen geschützt. Dieses Gel bedeckt dabei die Oberfläche des Chips bzw. die Bonddrähte und verhindert, dass korrosive Medien mit dem Chip in Berührung kommen können. Dabei ist bei der Wahl des Gels jedoch darauf zu achten, dass das Gel den Druck des Mediums zur Erfassung einer Druckgröße auf die Drucksensormembran im Sensorchip überträgt.Micromechanical Pressure sensors in which the system-pressure of the sensor chip front side supplied Usually, a gel such as one is used Fluorosilicone gel before environmental influences protected. This gel covers the surface of the chip or the bonding wires and Prevents corrosive media from coming in contact with the chip can. However, when choosing the gel, make sure that the gel the pressure of the medium to detect a print size on the Pressure sensor membrane in the sensor chip transmits.
Für die Anwendung von Drucksensoren in einer stark korrosiven Umgebung, wie sie regelmäßig im Abgasstrang eines Fahrzeugmotors zu beobachten ist, können selbst die besten derzeit verfügbaren Gele nicht verhindern, dass mit der Zeit korrosive Bestandteile des Mediums durch das Gel diffundieren und zu einer Korrosion des Sensorelements oder anderer Komponenten auf dem Sensorchip führen.For the application of pressure sensors in a highly corrosive environment, as regularly in the exhaust system A vehicle engine can be observed even the best currently available gels Do not prevent corrosive components of the medium over time diffuse through the gel and cause corrosion of the sensor element or other components on the sensor chip.
Eine teure Aufbauvariante, um den Drucksensor zu schützen, besteht darin, dass das Sensorelement bestehend aus Sensorchip und Bonddrähten in eine mit Silikonöl gefüllte Kammer montiert wird, die über eine Stahlmembran Kontakt mit der Umgebung hält. Eine Änderung des Umgebungsdrucks wird über die Stahlmembran direkt an das Silikonöl und somit an das Sensorelement bzw. den Sensorchip weitergeleitet.A expensive construction variant to protect the pressure sensor, is that the Sensor element consisting of sensor chip and bonding wires in one with silicone oil filled Chamber is mounted over a steel membrane keeps in contact with the environment. A change in ambient pressure will over the steel membrane directly to the silicone oil and thus to the sensor element or forwarded the sensor chip.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung mit einem Gehäuse und wenigstens einem elektrischen Bauelement, wobei das Gehäuse wenigstens eines der elektrischen Bauelemente aufweist und wenigstens teilweise mit einem Passivierungsmittel befüllt ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement wenigstens teilweise mit dem Passivierungsmittel bedeckt ist. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass auf das Passivierungsmittel eine zusätzliche Materialschicht aufgebracht wird. Mit dieser zusätzlichen Materialschicht kann ein einfacher und kostengünstiger Aufbau einer gegenüber Umweltschädigungen resistiven Vorrichtung realisiert werden. Somit wird der Einsatz von elektrischen Bauelementen in korrosiven Umgebungen ermöglicht.The The present invention describes a device with a housing and at least one electrical component, wherein the housing at least having one of the electrical components and at least partially filled with a passivating agent. Furthermore, it is envisaged that the electrical component at least partially with the passivating agent is covered. The core of the invention is now that on the passivating agent an additional Material layer is applied. With this additional material layer can a simpler and cheaper Building one opposite environmental damage resistive device can be realized. Thus, the use becomes of electrical components in corrosive environments.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement ein insbesondere mikromechanisches Sensorelement aufweist. Dabei kann das mikromechanische Sensorelement sowohl eine Druckgröße, eine Temperaturgröße, eine Luftmasse, eine Widerstandsgröße und/oder eine Konzentration wenigstens eines Mediums erfassen. Günstigerweise umgibt dabei ein Medium wenigstens einen Teil der Vorrichtung und/oder des mikromechanischen Sensorelements.In A particular embodiment of the invention is provided that the electrical component a particular micromechanical sensor element having. In this case, the micromechanical sensor element both a Print size, one temperature size, one Air mass, a resistance and / or detect a concentration of at least one medium. conveniently, A medium surrounds at least a part of the device and / or the micromechanical sensor element.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass durch die Wahl des Passivierungsmittels in Kombination mit dem Material der zusätzlichen Materialschicht eine optimierte Versiegelung des elektrischen Bauelements bzw. des Sensorelements erreicht wird. Somit kann eine Beschädigung des Sensorelements durch korrosive Medien verhindert werden. Darüber hinaus ist durch den erfindungsgemäßen Aufbau auch der Einsatz des Drucksensors in flüssigen Medien möglich, da das Material der zusätzlichen Materialschicht derart gewählt werden kann, dass das flüssige Medium vom Passivierungsmittel getrennt wird.Especially It is advantageous that by the choice of the passivating agent in combination with the material of the additional material layer an optimized Seal of the electrical component or the sensor element is reached. Thus, damage to the sensor element by corrosive Media be prevented. About that In addition, by the structure according to the invention also the use of the pressure sensor in liquid Media possible, because the material of the additional Material layer selected such that can be that liquid Medium is separated from the passivating agent.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement, insbesondere das Sensorelement, korrosionsempfindliche Bereiche aufweist. Dies können beispielsweise Kontaktierungsflächen oder -elemente wie Bondpads und/oder Bonddrähte sein. Vorteilhafterweise sind daher wenigstens diese korrosionsempfindlichen Bereiche mit dem Passivierungsmittel bedeckt.Furthermore is provided that the electrical component, in particular the Sensor element, having corrosion-sensitive areas. This can be, for example Contact surfaces or be elements such as bonding pads and / or bonding wires. advantageously, are therefore at least these corrosion-sensitive areas with covered by the passivating agent.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird durch die zusätzliche Materialschicht das Umgebungsmedium vom Passivierungsmittel getrennt. Vorteilhafterweise kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die zusätzliche Materialschicht durch eine entsprechende chemische Reaktion die korrosiven Bestandteile des Umgebungsmediums, die ansonsten die elektrischen Bauelemente angreifen würden, unschädlich macht. Eine weitere Möglichkeit, die Lebensdauer der elektronischen Bauelemente und somit die Nutzungsdauer des Sensors zu erhöhen besteht darin, mittels geeigneter Materialen die Diffusionsgeschwindigkeit der korrosiven Bestandteile des Umgebungsmediums zu verringern. Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung von korrosionsresistiven und/oder wasserundurchlässigen Materialien in der zusätzlichen Materialschicht.In a particular embodiment of the invention, the surrounding medium is separated from the passivating agent by the additional material layer. Advantageously, however, can also be provided that the additional material layer through a corresponding chemical reaction renders harmless the corrosive components of the ambient medium that would otherwise attack the electrical components. Another way to increase the life of the electronic components and thus the service life of the sensor is to reduce by means of suitable materials, the diffusion rate of the corrosive components of the surrounding medium. Particularly advantageous is the use of corrosion-resistant and / or water-impermeable materials in the additional material layer.
Vorzugsweise ist die zusätzliche Materialschicht als Membranschicht ausgebildet, wobei vorgesehen sein kann, dass die Membranschicht eine wellenförmige Oberflächenstruktur aufweist. Diese wellenförmige Oberflächenstruktur kann eine temperaturbedingte Ausdehnung des Passivierungsmittels kompensieren, ohne dass es zu einem Riss in der Membranschicht kommt.Preferably is the extra Material layer formed as a membrane layer, wherein provided may be that the membrane layer has a wavy surface texture having. This wavy surface structure can compensate for a temperature-induced expansion of the passivation agent, without causing a crack in the membrane layer.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist als Passivierungsmittel Fluorsilikongel und/oder als zusätzliche Materialschicht eine Schicht aus einem korrosionsresistiven und/oder wasserundurchlässigen Material wie beispielsweise Teflon oder einem Parylen vorgesehen. Weiterhin ist in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Passivierungsmittel und das Material der zusätzlichen Materialschicht aufeinander angepasste Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen.In a development of the invention is as Passivierungsmittel fluorosilicone gel and / or as additional Material layer is a layer of a corrosion-resistant and / or water-impermeable material such as Teflon or a parylene provided. Farther is provided in a particular embodiment of the invention, that the passivating agent and the material of the additional Material layer matched temperature expansion coefficient exhibit.
Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse, in dem das Sensorelement montiert ist, ein Gehäuseunterteil mit Gehäusewänden aufweist. Dabei wird vorteilhafterweise das Gehäuseunterteil bis in die Bauhöhe der Gehäusewände mit dem Passivierungsmittel befüllt.It is provided that the housing, in which the sensor element is mounted, a lower housing part having housing walls. In this case, advantageously, the lower housing part to the height of the housing walls with filled the passivation agent.
Darüber hinaus ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Gehäuse eine Gehäuseoberteil mit einem Gehäusedeckel aufweist. Dieser Gehäusedeckel ist dabei vorzugsweise derart auf dem Gehäuse angebracht, dass er die zusätzliche Materialschicht auf dem Passivierungsmittel fixiert. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Gehäusedeckel erst nach dem Aufbringen der zusätzlichen Materialschicht auf das Passivierungsmittel aufgesetzt wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass die zusätzliche Materialschicht direkt in den Gehäusedeckel eingebracht wird und erst nach dem Aufsetzen des Gehäusedeckels auf das Gehäuseunterteil das Passivierungsmittel bedeckt.Furthermore is provided in a further embodiment of the invention that the housing an upper housing part having a housing cover. This housing cover is preferably mounted on the housing so that he additional Material layer fixed on the passivating agent. It can be provided that the housing cover only after applying the additional Material layer is placed on the passivation agent. It However, it is also conceivable that the additional material layer directly in the housing cover is introduced and only after placing the housing cover on the lower housing part covers the passivating agent.
Um eine Weiterleitung der Druckänderung des Mediums an das Sensorelement zu ermöglichen, ist in dem Gehäusedeckel eine Öffnung vorgesehen, durch die das Medium in Kontakt mit der zusätzlichen Materialschicht treten kann.Around a forwarding of the pressure change of To allow media to the sensor element is in the housing cover an opening provided by which the medium in contact with the additional material layer can occur.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, die elektrische Kontaktierungsfläche und/oder das elektrische Kontaktierungselement mit wenigstens einer vorgebbaren Schichtdicke des Passivierungsmittels zu bedecken. So kann beispielsweise vorgesehen sein, über wenigstens einem Bondpad und/oder einem Bonddraht das Passivierungsmittel in einer Dicke von mindestens 0,2 mm aufzubringen. Durch eine derartig vorgebbare Schichtdicke des Passivierungsmittels kann erreicht werden, dass die korrosionsauslösenden Bestandteile des Mediums nicht bzw. Zeitverzögert zu den korrosionsempfindlichen Bereichen gelangen.advantageously, is provided, the electrical contacting surface and / or the electrical contacting element with at least one predefinable layer thickness of the passivating agent to cover. Thus, for example, be provided over at least a bonding pad and / or a bonding wire, the passivation agent in a thickness of at least 0.2 mm apply. By such a predefinable layer thickness of the passivating agent can be achieved that the corrosion causing Components of the medium are not or delayed to the corrosion-sensitive Reach areas.
Eine Möglichkeit, die Geschwindigkeit, mit der das Medium bzw. Bestandteile des Mediums in das Passivierungsmittel eindringen, zu verringern besteht darin, als zusätzliche Materialschicht plättchenförmige Füllstoffe wie z.B. Glimmerplättchen in das Passivierungsmittel einzubringen. Daneben ist jedoch auch der Zusatz von plättchenförmigen Füllstoffen wie Hydrotalcit, Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Hydromagnesit bzw. Huntit in das Passivierungsmittel denkbar , um die Diffusiongeschwindigkeit zu verringern bzw. den Diffusionsweg zu vergrößern.A Possibility, the speed with which the medium or components of the medium to penetrate into the passivating agent is to reduce as additional Material layer of platelet-shaped fillers such as. mica flakes into the passivating agent. But it is also wrong the addition of platelet-shaped fillers such as hydrotalcite, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, hydromagnesite or huntite in the passivating agent conceivable to the diffusion rate reduce or increase the diffusion path.
Daneben kann jedoch auch vorgesehen sein, die korrosiven Bestandteile des Mediums, die in das Passivierungsmittel eindiffundieren können, durch eine geeignete chemische Reaktion (Neutralisation oder Adsorption) unschädlich zu machen. So bieten sich beispielsweise aminofunktionalisierte Siloxane als Material der zusätzlichen Materialschicht an, bei denen die Aminopropylgruppen als Basen mit korrosiven Säuren unter Salzbindung reagieren. Säuren können ebenfalls durch Mono-, Di- oder Trialkylamine, Silizane bzw. aminoterminiertes Silikonöl oder säurebindenden Füllstoffen wie Hydrotalcit, Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid, Hydromagnesit gebunden werden.Besides However, it may also be provided that the corrosive components of Medium, which can diffuse into the passivating, by a suitable chemical reaction (neutralization or adsorption) harmless close. For example, amino-functionalized siloxanes can be used as a material of the additional Material layer in which the aminopropyl groups as bases with corrosive acids react under salt binding. acids can also by mono-, di- or trialkylamines, silicanes or amino-terminated silicone oil or acid-binding fillers such as hydrotalcite, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, hydromagnesite be bound.
Allgemein kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen insbesondere mikromechanischen Drucksensor zur Erfassung einer den Druck eines Umgebungsmediums repräsentierenden Druckgröße darstellt. Darüber hinaus ist jedoch auch denkbar, dass die Vorrichtung eine relative Druckgröße zweier Medien erfasst. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist die Verwendung eines derartigen Drucksensors im Abgasstrom oder im Tank eines Kraftfahrzeugs möglich. Darüber hinaus ist jedoch auch denkbar, dass die Vorrichtung einen (Heiss-) Luftmassensensor oder eine Generatorregelvorrichtung repräsentiert.Generally it can be provided that the device has a particular micromechanical pressure sensor for detecting a pressure of an ambient medium representing Represents print size. About that However, it is also conceivable that the device is a relative Print size of two media detected. Due to the inventive design is the use of such a pressure sensor in the exhaust stream or possible in the tank of a motor vehicle. About that However, it is also conceivable that the device has a (hot) Air mass sensor or a generator control device represents.
Durch eine geeignete Wahl des Passivierungsmittels bzw. der Materialien für die zusätzliche Materialschicht ist es weiterhin möglich, die Schüttelbelastung von vergelten Bonddrähten zu verringern. So kann beispielsweise eine unflexible Sperrschicht Gel-Verschiebungsamplituden des Passivierungsgels reduzieren.By a suitable choice of the passivation agent or the materials for the additional material layer, it is also possible to reduce the shaking load of reimbursed bonding wires. For example, an inflexible barrier can reduce gel displacement amplitudes of the passivation gel.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Versiegelung des Passivierungsmittels ist eine Einsparung von hermetischen bzw. spritzdichten Gehäusen möglich, die zum Schutz der Gelräume in elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen eingesetzt werden. Weiterhin kann durch eine derartige Versiegelung auch der Einsatz von ölaussschwitzenden Gelen in elektronischen Bauteilen überlegt werden, die nicht in Kontakt mit flüchtigen, ausblutenden Bestandteilen eines Passivierungsgeles kommen dürfen.at the use of the seal according to the invention of the passivating agent is a saving of hermetic or splash-proof housings possible, to protect the gel rooms be used in electrical and / or electronic components. Furthermore, by such a seal also the use of oil-sweating gels considered in electronic components who are not in contact with volatile, bleeding ingredients of a passivation gel.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.Further Benefits emerge from the following description of exemplary embodiments or from the dependent ones Claims.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispielembodiment
In
In
stark korrosiven Umgebungen wie beispielsweise im Abgasstrang eines
Verbrennungsmotors kann selbst das beste derzeit erhältliche
Passivierungsgel den Drucksensorchip nicht ausreichend vor Korrosion
schützen.
Daher wird zusätzlich
zu dem passivierenden Gel eine weitere Materialschicht direkt auf
dem Gel aufgebracht, wie es in den
In
Als
mögliches
Material für
die Schicht
Als Passivierungsmittel werden bevorzugt Silikongele beispielsweise auf der Basis von Polydimethylsiloxan (PDMS) oder Polyphenylmethylsiloxan eingesetzt oder (per)fluorierte Silikongele wie beispielsweise perfluoriertes PDMS. Weiterhin sind Gelsysteme auf der Basis von gegebenenfalls (per)fluoerierten Polyethern oder von Vinylpolymeren, die Vernetzer mit hydridischen Siloxaneinheiten, Füllstoffe, gegebenenfalls Thixotropiemittel, Haftvermittler, Inhibitoren und Katalysatoren enthalten, geeignet.When Passivating agents are preferably silicone gels, for example based on polydimethylsiloxane (PDMS) or polyphenylmethylsiloxane used or (per) fluorinated silicone gels such as perfluorinated PDMS. Furthermore, gel systems are based on optionally (per) fluorinated polyethers or vinyl polymers, the crosslinkers with hydridic siloxane units, fillers, optionally thixotropic agents, Adhesion promoters, inhibitors and catalysts included, suitable.
Entgegen
der Darstellung in
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die zusätzliche
Schicht
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Drucksensors ist der Sensor sowohl für gasförmige als auch für flüssige Medien
geeignet. Hier bietet die zusätzliche
Materialschicht
In
Die
zusätzliche
Materialschicht
Eindiffundierende korrosive Agenzien, vor denen die elektrischen bzw. elektronischen Bauelemente geschützt werden müssen, können beispielsweise
- – Salzsäure,
- – Salptersäure,
- – Schwefelsäure,
- – Carbonsäuren,
- – Alkohole,
- – Aldehyde oder
- – Ammoniak
- Hydrochloric acid,
- - nitric acid,
- Sulfuric acid,
- - carboxylic acids,
- - alcohols,
- - aldehydes or
- - ammonia
Neben der Verlängerung des Diffusionswegs kann auch vorgesehen sein, die zusätzliche Materialschicht mit einem Material auszubilden, welches die korrosiven Agenzien bzw. Bestandteile des Mediums mittels einer chemischen Reaktion unschädlich macht. Da die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente vorwiegend von säurehaltigen Bestandteilen des Mediums angegriffen werden, ist in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Materialschicht und/oder das Passivierungsmittel mit basischen Verbindungen anzureichern. Dies erfolgt beispielsweise, indem aminofunktionalisierie Siloxane verwendet werden, wobei die dabei enthaltenen Aminopropylgruppen mit der Säure unter einer Salzbildung reagieren. Vorteilhaft dabei ist auch, dass aminofunktionalisierte Siloxane bei der Herstellung in das Passivierungsmittel einpolymerisiert werden können. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von hochviskosem aminoterminiertem Silikonöl, welches ebenfalls Säuren als Salze bindet. Eine ähnliche Funktion weisen Silizane wie Fluorochem PS 112, ein quervernetztes Poly(1,1-dimethylsilazan) auf.Next the extension the diffusion path can also be provided, the additional Material layer with a material form, which is the corrosive Agents or components of the medium by means of a chemical Reaction harmless. As the electrical and / or electronic components predominantly of acidic Components of the medium to be attacked is in a special embodiment The invention provides the material layer and / or the passivating agent enrich with basic compounds. This is done, for example, by using amino functional siloxanes, the latter being present contained aminopropyl groups with the acid under a salt formation react. Another advantage is that amino-functionalized Siloxanes polymerized in the preparation in the passivating agent can be. One more way consists in the use of highly viscous amino-terminated silicone oil, which also acids as salts binds. A similar Function silicans such as Fluorochem PS 112, a cross-linked Poly (1,1-dimethylsilazane) on.
Neben
den bisher aufgeführten
Materialien für
die zusätzliche
Materialschicht
Die Füllstoffe Hydrotalcit, Magnesiumhydroxid, Aluminiumhydroxid. Hydromagnesit sind neben ihrer diffusionswegverlängernden Wirkung auch als Säurebinder wirksam.The fillers Hydrotalcite, magnesium hydroxide, aluminum hydroxide. Hydromagnesit are in addition to their diffusion path extending effect as acid binder effective.
Claims (16)
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